5. Конвекция

Определения и обозначения

Конвекция — перенос тепла потоками жидкости или газа. При этом перемещается не только внутренняя энергия, но и само вещество, поэтому тепло может быстро распространяться по всему объёму. Это определение помогает отличать конвекцию от теплопроводности, при которой вещество в целом не перемещается.

Конвективный поток — упорядоченное движение частей жидкости или газа, возникающее при конвекции. Одни слои движутся в одну сторону, другие — навстречу им, образуя общий круговорот. Понятие нужно, чтобы описывать конкретное направление движения вещества и переноса энергии.

Естественная конвекция — движение жидкости или газа, возникающее из-за различия температур и плотностей без внешнего устройства. Нагретые менее плотные слои поднимаются, а холодные более плотные опускаются. Так объясняется движение воды при нагревании и воздуха около батареи.

Принудительная конвекция — перенос тепла потоками, движение которых создаётся внешним воздействием. Воздух может перемещать вентилятор, а жидкость — насос. Такое определение позволяет понять, почему обдув или циркуляция ускоряют нагревание и охлаждение.

Как это устроено

При нагревании жидкость или газ обычно расширяются: расстояния между частицами становятся больше, а масса данного количества вещества почти не меняется. Поэтому плотность, то есть масса единицы объёма, уменьшается. Если соседние слои холоднее, нагретый слой оказывается менее плотным и легче при том же объёме.

На нагретый слой действует сила тяжести, но окружающая среда выталкивает его вверх сильнее, чем более плотный слой. Поэтому тёплая жидкость или газ начинают подниматься. На их место перемещаются холодные плотные слои, и в среде возникает непрерывное движение.

Поднимаясь, тёплое вещество отдаёт энергию окружающим слоям и постепенно остывает. Остывший участок становится плотнее и опускается, замыкая круговорот. Благодаря этому энергия переносится не только через границу соседних слоёв, а перемещается вместе с большими объёмами вещества.

В невесомости естественная конвекция почти не возникает, потому что сила тяжести не создаёт обычного разделения слоёв по плотности. Нагретый участок не получает заметного преимущества для подъёма, а холодный не опускается вниз. Перемешивание всё же возможно из-за других причин, например движения устройства, но это уже не обычная естественная конвекция.

Конвекция возможна в жидкостях и газах, поскольку их части могут свободно перемещаться относительно друг друга. В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений и не образуют свободных потоков. Поэтому тепло в твёрдых телах передаётся главным образом теплопроводностью и излучением, а не конвекцией.

Способы и условия переноса тепла конвекцией

Сначала определите, что приводит среду в движение: различие плотностей или внешнее устройство. Затем проследите, какие слои поднимаются и какие опускаются либо куда направлен созданный поток. Так таблица помогает быстро отличить два вида конвекции.

Если вентилятор или насос только усиливает уже существующий поток, наличие внешнего воздействия всё равно означает, что конвекция является принудительной. В обоих случаях энергия переносится движущимся веществом.

Разбор задач

Вода в сосуде

Условие. Воду в сосуде нагревают снизу. Нужно описать движение её слоёв и объяснить причину. Считаем, что вода может свободно перемещаться внутри сосуда.

Решение. Рассуждаем по цепочке: нагревание — изменение объёма — изменение плотности — движение слоя.

1. Нижние слои получают тепло от дна и нагреваются.
2. Нагретая вода расширяется, поэтому её плотность уменьшается.
3. Менее плотная вода поднимается вверх, а более холодная и плотная вода опускается к дну.
4. Движение повторяется, и внутри сосуда образуется конвективный поток, переносящий энергию.

Ответ. Тёплые слои воды поднимаются, а холодные опускаются. Причина движения — уменьшение плотности воды при нагревании. В сосуде возникает естественная конвекция.

Радиатор отопления

Условие. Радиатор стоит у пола и нагревает комнату. Нужно объяснить, как тепло распространяется по воздуху. Рассмотрим естественное движение воздуха без вентилятора.

Решение. Найдём участок, который нагревается первым, а затем определим, как меняется его плотность.

1. Воздух рядом с радиатором нагревается и расширяется.
2. Его плотность становится меньше, поэтому тёплый воздух поднимается к потолку.
3. В верхней части комнаты воздух постепенно отдаёт энергию и остывает.
4. Более плотный холодный воздух опускается к полу и снова подходит к радиатору.

Ответ. Воздух в комнате движется по кругу: тёплый поднимается, остывший опускается. Так радиатор постепенно передаёт энергию всему объёму воздуха. Это естественная конвекция.

Обдув нагретой детали

Условие. Вентилятор обдувает нагретую деталь. Нужно указать, почему она остывает быстрее, чем в неподвижном воздухе, и назвать вид конвекции.

Решение. Сравним условия теплообмена у поверхности детали при покоящемся и движущемся воздухе.

1. У детали находится слой воздуха, уже нагретый её поверхностью.
2. В неподвижном воздухе этот слой сравнительно медленно заменяется более холодным.
3. Вентилятор уносит нагретый воздух и подводит к детали новые холодные слои.
4. Разность температур поддерживается дольше, поэтому энергия быстрее уходит от детали к воздуху.

Ответ. Деталь остывает быстрее, потому что вентилятор постоянно заменяет нагретый воздух более холодным. Происходит принудительная конвекция. Движение воздуха создаётся внешним устройством.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что тепло передаётся без перемещения вещества. Так думают, потому что обычно замечают только нагрев, но не движение среды. Проверьте себя: при конвекции обязательно найдите поток жидкости или газа, который переносит энергию.

Ошибка 2. Говорить, что воздух поднимается только потому, что он горячий. Причина не в самой температуре, а в меньшей плотности нагретого воздуха по сравнению с холодным. Спросите себя, изменились ли объём и плотность данного слоя.

Ошибка 3. Ожидать конвекцию в твёрдом теле или вакууме. В твёрдом теле нет свободного потока вещества, а в вакууме нет самой среды. Для проверки назовите жидкость или газ, которые должны двигаться.

Ошибка 4. Путать естественную и принудительную конвекцию. Если поток появился из-за разности плотностей, конвекция естественная, а если его создаёт вентилятор или насос — принудительная. Проверьте, есть ли внешнее устройство.

Связь с другими темами

Для понимания конвекции нужны знания о нагревании, изменении объёма и плотности вещества. Плотность зависит от массы и объёма, поэтому расширение нагретого слоя меняет его положение среди окружающих слоёв.

Конвекция — один из трёх способов теплопередачи наряду с теплопроводностью и излучением. Их сравнение помогает объяснить работу отопления: воздух переносит энергию конвекцией, стены — теплопроводностью, а нагретые поверхности могут передавать энергию излучением.

Что запомнить

• Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа.
• При естественной конвекции нагретые менее плотные слои обычно поднимаются.
• Более холодные и плотные слои опускаются и замещают нагретые.
• Вещество при конвекции перемещается вместе с переносимой энергией.
• В твёрдых телах и вакууме конвекция не происходит.
• Вентилятор или насос могут создавать принудительную конвекцию.